РАЗДЕЛ 2
ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ ПРИНУДИНЕЛЬНОМ ДВИЖЕНИИ МАСЛА В КАНАЛАХ ОБМОТОК С НАПРАВЛЯЮЩИМИ ПЕРЕГОРОДКАМИ
Особенностью теплообмена в исследуемых каналах является то, что в них существует значительная неравномерность распределения расходов охлаждающей среды. Расход в отдельных горизонтальных каналах в несколько раз меньше или больше среднего расхода через горизонтальные каналы. Такая неравномерность особенно выражена для силовых трансформаторов с направленной циркуляцией охлаждающей среды в обмотки [19, 135, 136, 149]. В связи с этим наблюдается неодинаковое влияние естественной и вынужденной конвекции на теплоотдачу в каналах с отличающимися скоростями движения жидкости. Кроме того, наблюдается значительная неравномерность коэффициента теплоотдачи вдоль канала. Следовательно, для таких обмоток необходимо определять локальные коэффициенты теплоотдачи, учитывающая влияние как вынужденной, так и естественной конвекции. Для определения влияния вынужденной конвекции в этом разделе используется численный метод исследования, который позволяет определить распределение расходов в горизонтальных каналах [19, 137-140] и качественную картину температурного и гидродинамического полей в каналах обмотки без учета естественной конвекции. Влияние естественной конвекции рассматривается в четвертом разделе данной работы.
2.1. Выбор моделей для исследования теплообмена в каналах обмоток с направляющими перегородками
В первой главе данной работы выполнен анализ исследований теплообмена в каналах обмоток с направляющими перегородками [6], а также в каналах, подобных каналам обмоток с направляющими перегородками [150]. На основе этого анализа выбираются модели для исследования теплообмена в каналах обмоток с направляющими перегородками.
В результате анализа трехмерной численной модели течения жидкости в од-
ном поле хода обмотки, определено, что каналы обмотки можно условно разделить на зоны с ламинарным или переходным движением жидкости до критического Рейнольдса и зоны с турбулизирующими элементами (выступами прокладок длиной в вертикальные каналы), где формируется турбулентный поток жидкости, начиная с [141]. В поперечном сечении катушечной обмотки на рис. 2.1 указаны турбулентные зоны.
Рис. 2.1. Расположение турбулентных зон у выступов прокладок в вертикальные каналы
В трехмерной модели течение жидкости в радиальном сечении каналов обмоток не достаточно детальное из-за недостаточной дискретизации в этом сечении модели. Так как в любом радиальном сечении каналов обмотки ламинарной зоны гидродинамическая картина течения жидкости практически идентична, можно
выбрать двухмерную осесимметричную численную модель для исследования зоны с ламинарным движением жидкости. Влияние турбулизирующих элементов на движение жидкости рассмотрено в четвертом разделе.
Для учета естественной конвекции необходимо проводить исследования на трехмерных физических моделях. Влияние естественной конвекции на принудительное течение в вертикальных и горизонтальных трубах достаточно подробно изучено на физических моделях, результаты которых можно использовать для учета естественной конвекции в каналах обмоток с направляющими перегородками [132]. Так как на практике угол сужения конфузорности или расширения диффузорности щелевых горизонтальных каналов составляет 11,25ч22,5о, а гидравлический диаметр - 1,5ч12,5% от ширины канала, то влияние расширения и сужения канала можно учесть, рассчитывая критериальное уравнение естественной конвекции [132] для каждого витка с соответствующим гидравлическим диаметром. Таким образом необходимо исследовать теплоотдачу только за счет принудительного движения на двухмерной осесимметричной модели.
Для того чтобы термогидравлическая численная модель с внесенными поправками физического моделирования [132] соответствовала тепловому подобию ламинарной принудительной составляющей теплоотдачи натурной обмотки, необходимо и достаточно рассмотреть сечение каналов обмотки в радиальном направлении как осесимметричную термогидравлическую численную модель.
На практике размеры обмоток с направляющими перегородками имеют большое количество вариаций: количество комбинаций высот горизонтальных каналов хода может быть , где - количество горизонтальных каналов в одном ходе; варьирование радиального размера обмотки bкат; варьирование ширины внутреннего вертикального канала ; варьирование ширины наружного вертикального канала .
Если определяется средняя температура обмотки на физической модели, для этого типа охлаждения должен моделироваться каждый вариант комбинации размеров. Определить температуру ННТ с помощью физического метода практически невозможно, так как необходимо установить несколько сотен термопар, которые вносят значительную погрешность в характер движения охлаждающей жидкости.
Для определения температуры ННТ необходимо провести численное моделирование с варьированием высоты горизонтальных каналов и радиального размера катушки. Ширину вертикальных каналов варьировать не обязательно, так как можно отнести коэффициент теплоотдачи к критерию Гретца, который включает в себя ширину вертикальных каналов.
Горизонтальные каналы до 3 мм считаются нестабильными с точки зрения теплообмена при направленной циркуляции в каналах обмоток с направляющими перегородками. Это объясняется тем, что допуск на плотность намотки изоляции провода в катушках может образовывать неодинаковое сечение по длине горизонтальных каналов. Это влияет на гидравлическое сопротивление в каналах так, что гидравлическое сопротивление за счет трения каналов, образованных одинаковой высотой дистанцирующих прокладок, при одинаковом расходе через них может отличаться в несколько раз. Влияние технологических допусков практически невозможно определить с помощью расчета. Это ведет к непредусмотренным превышающим допустимые нормы перегревам некоторых катушек. Обмотки с такими каналами применять нельзя с точки зрения качества продукции. Использовать горизонтальны